KR102059886B1 - 열간 압연용 티탄 소재 - Google Patents

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Abstract

티탄 주편(3)과, 티탄 주편(3)의 압연면(3a)에 해당하는 면에 용접한 티탄판(4)을 구비하고, 티탄 주편(3) 및 상기 티탄판(4)이 동종의 화학 조성을 가지는, 열간 압연용 티탄 소재(1)이다.
열간 압연용 티탄 소재(1)는, 분괴 공정이나 정제 공정을 생략해도 열간 압연 후의 표면 성상을 양호하게 유지할 수 있다.

Description

열간 압연용 티탄 소재
본 발명은, 열간 압연용 티탄 소재에 관한 것이다.
티탄재는, 일반적으로, 용해 공정으로부터 얻어지는 잉곳을 분괴 공정에서 슬래브 또는 빌릿 형상으로 하여 표면을 손질한 후에 열간 압연을 실시하고, 또한 소둔이나 냉간 가공을 실시하여 제조된다.
용해 공정에는, 널리 이용되고 있는 진공 아크 용해(VAR：Vacuum Arc Remelting)법 외에, 주형과는 다른 장소에서 용해를 행하여 주형에 흘려 넣는 전자 빔 용해(EBR：Electron Beam Remelting)법이나 플라즈마 아크 용해법 등이 있다.
전자에서는, 주형이 원통형으로 한정되기 때문에, 판재의 제조에는 분괴 공정 혹은 단조 공정이 필요하게 된다. 이에 반해, 후자는, 주형 형상의 자유도가 높아, 원통형 외에 각형의 주형을 사용할 수 있다. 따라서, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법을 이용하면, 각형 잉곳이나 원기둥형 잉곳을 직접 주입할 수 있다. 그 때문에, 각형 잉곳으로부터 판재를 제조하는 경우나, 원기둥형 잉곳으로부터 봉재나 선재를 제조하는 경우에는, 잉곳 형상인 점에서 분괴 공정 혹은 단조 공정을 생략할 수 있어, 분괴 공정에 필요로 하는 비용 및 시간을 삭감할 수 있기 때문에, 생산 효율이 현저하게 향상되는 것이 기대된다.
그러나, 공업적으로 이용되는 대형 잉곳의 주조 조직은, 결정 입경이 수십 mm에도 미치는 조대립을 가진다. 이러한 잉곳을, 분괴 공정을 거치지 않고 직접 열간 압연하면, 조대한 결정립에 기인하여 결정립 간의 변형 이방성의 영향에 의해, 표면에 요철이 생겨 표면흠이 발생한다.
이와 같이, 전자 빔 용해나 플라즈마 아크 용해법에 의해 각형 잉곳이나 원기둥형 잉곳을 직접 제조하여, 분괴 공정 혹은 단조 공정을 생략하고 열간 압연하면, 열간 압연에 있어서 표면흠이 발생한다. 열간 압연으로 발생한 표면흠을 제거하기 위해, 산세 공정에서 열연판의 표면의 용삭량을 늘릴 필요가 있어, 비용이나 수율이 악화된다. 즉, 표면흠을 없애기 위한 정정(精整) 공정을 새롭게 도입할 필요가 있다.
이 때문에, 분괴 공정 혹은 단조 공정을 생략함으로써 기대되는 생산 효율의 향상은, 이러한 정정 공정의 새로운 도입에 의해 상쇄되어 버릴 우려가 있다. 이러한 문제에 대해, 열간 압연용 티탄 소재의 제조 방법이나, 제조 후에 가공이나 열처리를 실시함으로써 티탄재의 표면흠을 저감하는 방법이 제안되어 있다.
일본국 특허공개 평01-156456호 공보(특허 문헌 1)에는, 티탄의 잉곳을, 분괴 공정을 생략하고 직접 열간 가공하는 경우에, 표층 부근의 결정립을 미세화하기 위해, 표면층에 변형을 부여한 후, 재결정 온도 이상으로 가열하여 표면으로부터 깊이 2mm 이상을 재결정시키는 방법이 개시되어 있다. 변형을 부여하는 수단으로서는, 단조, 롤 압하, 쇼트 블라스트 등을 들 수 있다.
일본국 특허공개 평08-060317호 공보(특허 문헌 2)에는, 티탄의 잉곳을, Tβ+50℃ 이상으로 가열하고, Tβ-50℃ 이하로 냉각한 후에 열간 압연함으로써, 조대한 결정립의 변형 이방성에 의해 압연 중에 형성되는 표면의 물결 형상이나 주름을 저감하고, 표면흠을 저감하는 방법이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 평07-102351호 공보(특허 문헌 3)에는, 분괴 공정을 거치는 경우의 티탄재의 표면흠의 저감 방법으로서, 분괴 공정 종료 시의 온도를 α역으로 하는 것, 혹은, 또한 열간 압연 전의 가열을 α역에서 행함으로써, 표면으로부터 60μm 이상을 등축정으로 하는 방법이 개시되어 있다. 이것에 의해, 산소 리치층이 부분적으로 깊어지는 것을 피할 수 있어, 탈스케일 공정에서 산소 리치층을 제거할 수 있게 되어, 경도나 연성의 불균일한 부분이 없어지기 때문에, 냉간 가공 후의 표면 성상이 개선되는 것으로 하고 있다.
일본국 특허공개 2007-332420호 공보(특허 문헌 4)에는, 티탄의 잉곳을, 열간 가공 공정을 생략하고 직접 열간 압연을 행하는 경우에, 잉곳의 압연면에 해당하는 면의 표층을 고주파 유도 가열, 아크 가열, 플라즈마 가열, 전자 빔 가열 또는 레이저 가열 등으로 용융 재응고시킴으로써, 표층으로부터 깊이 1mm 이상을 세립화하여, 열간 압연 후의 티탄재의 표층 조직을 개선하는 방법이 개시되어 있다. 이것은, 표층부를 급냉 응고에 의해 미세하고 불규칙한 방위를 가지는 응고 조직을 형성함으로써, 표면흠의 발생을 방지하고 있다. 티탄 슬래브의 표층 조직을 용융시키는 방법으로서, 고주파 유도 가열, 아크 가열, 플라즈마 가열, 전자 빔 가열 또 레이저 가열을 들 수 있다.
국제 공개 제2010/090352호 팜플렛(특허 문헌 5)에는, 열간 압연용 티탄 소재를, 굴곡의 윤곽 곡선 요소의 평균 높이가 0.2~1.5mm, 평균 길이가 3~15mm의 딤플을 냉간으로 소성 변형에 의해 부여함으로써, 잉곳의 브레이크다운 공정을 생략해도 열간 압연에 의해 생기는 티탄재의 표면 결함을 경미하게 하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 국제 공개 제2010/090353호 팜플렛(특허 문헌 6)에는, 전자 빔 용해로에서 용제한 티탄 슬래브를, 주형 내로부터 직접 뽑아낸 슬래브의 단면 조직에 있어서, 표층으로부터 내부를 향하는 응고 방향과 슬래브의 주조 방향이 이루는 각 θ가 45~90°, 혹은, 표층의 결정 방위 분포에 있어서, hcp의 c축과 슬래브 표층의 법선이 이루는 각이 35~90°인 경우에, 열간 가공 공정을 생략해도, 주물 표면이 양호하며 또한 열간 압연 후의 표면흠을 개선할 수 있는 방법이 개시되어 있다. 즉, 표면의 결정립의 형상이나 결정 방위를 제어함으로써 이러한 조대 결정립에 기인하는 흠의 발생을 억제할 수 있다.
일본국 특허공개 평01-156456호 공보 일본국 특허공개 평08-060317호 공보 일본국 특허공개 평07-102351호 공보 일본국 특허공개 2007-332420호 공보 국제 공개 제2010/090352호 팜플렛 국제 공개 제2010/090353호 팜플렛
그러나, 특허 문헌 1에 개시된 방법에서는, 변형을 부여하는 수단으로 쇼트 블라스트를 예로 들고 있지만, 일반적인 쇼트 블라스트로 부여되는 변형의 깊이는 300~500μm 정도 이하이며, 품질을 개선하기 위해 필요로 하고 있는 깊이 2mm 이상의 재결정층을 형성하기에는 불충분하다. 따라서, 실질적으로는, 단조 혹은 롤 압하에 의해 깊은 위치까지 변형을 부여하는 것이 필요해지지만, 단조 혹은 롤 압하를, 열간 압연용의 대형 잉곳에 대해 행하려면 큰 설비가 필요하게 되어, 통상의 분괴 공정과 비교해 비용 저하가 되는 것은 아니다.
특허 문헌 2에 개시된 방법은, β역으로의 가열에 의해 조대한 결정립이 재결정되어 미세화되는 효과가 있다. 그러나, 분괴 공정을 거치지 않는 경우에는 가공 변형이 부여되지 않기 때문에 재결정핵이 적은 것이나, 잉곳 전체를 가열하기 때문에 가열 후의 냉각 속도가 느려 결정립이 조대화되는 것에 의해, 재결정에 의한 미세화 효과는 한정되어, 변형 이방성의 저감은 충분하지 않다. 또, 재결정해도 원래의 조대립의 결정 방위의 영향을 받는 것도, 변형 이방성의 해소에 이르지 않는 요인이다. 반대로, 중간 정도의 세립화에 의해 표면의 요철의 기초가 되는 입계는 증가하는 결과가 되어, 표면흠의 발생이 증가한다.
특허 문헌 3에 개시된 방법은, 분괴 공정을 거침으로써 주조 조직이 부서져 세립화 및 등축화되는 것을 전제로 하고 있어, 분괴 공정을 생략하는 경우에는 의미가 없다. 만일 분괴 공정을 생략하고 열처리 만에 의해, 표면으로부터 60μm 이상의 등축립을 형성해도, 단순한 재결정이며 그 결정 방위는 원래의 결정 방위의 영향을 받는다. 따라서, 주조 상태 조직의 조대립에 의한 변형 이방성에 기인하는 요철을 방지하기에는 불충분하며, 표면흠에 의한 문제가 생기는 것은 분명하다.
특허 문헌 4에 개시된 방법은, 잉곳 표층부의 조직 개질을 행하고 있어, 열간 압연 후의 표면 성상은 향상되지만, 잉곳 표층부의 Fe함유량이 적으면, 조직 개질한 표층부의 결정립이 조대화되어 버려, 표면 성상이 악화될 가능성이 염려된다. 또, 표층 조직 개질 전에 잉곳 표층을 절삭 등으로 정정하고 있어, 수율이 저하된다.
특허 문헌 5에 개시된 방법은, 냉간으로 잉곳 표층부의 조직 개질을 행하고 있어, 열간 압연 후의 표면 성상은 향상되지만, 냉간으로 표층 조직 개질을 행하는 경우, 주조 상태의 주물 표면에 직접 행해도, 주조 시에 발생한 주물 표면 균열 등의 주조 결함을 모두 제거하는 것이 어려운 것이 예상되며, 절삭 등의 정정 공정을 생략할 수 없을 가능성이 염려된다.
또한, 특허 문헌 6에 개시된 방법에서는, 주조 시의 조업 조건의 편차에 의해, 잉곳 전면을 목적으로 하고 있는 조직으로 제어하는 것은 어렵고, 경우에 따라서는, 조대 주조 조직에 기인한 표면흠이 발생하여, 표면 성상이 악화될 가능성이 염려된다.
본 발명은, 종래의 기술이 가지는 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 분괴 공정이나 정제 공정을 생략해도 열간 압연 후의 티탄재의 표면 성상을 양호하게 유지할 수 있는 열간 압연용 티탄 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 잉곳으로부터 분괴 공정이나 정제 공정을 생략하고 열간 압연을 행하여 티탄재를 제조할 때에, 티탄 주편의 표면에 결정 입경이 미세한 티탄판을 접합한 열간 압연용 티탄 소재를 이용함으로써, 압연면에 해당하는 면의 조직을 세립으로 할 수 있어, 그 결과, 주입 상태의 조대한 응고 조직에 기인한 변형 이방성의 영향에 의한 티탄재의 표면흠을 저감할 수 있어, 분괴 공정을 거치는 경우와 동등한 표면 성상을 얻을 수 있는 것을 알아내고, 또한 검토를 거듭하여 본 발명을 완성했다. 본 발명은, 이하에 열기한 대로이다.
(1) 티탄 주편과, 상기 티탄 주편의 압연면에 해당하는 면에 용접한 티탄판을 구비하고, 상기 티탄 주편 및 상기 티탄판이 동종의 화학 조성을 가지는, 열간 압연용 티탄 소재.
(2) 상기 티탄판의 두께가, 1mm 이상 20mm 이하인, 상기 (1)의 열간 압연용 티탄 소재.
(3) 상기 티탄판의 결정 입경이, 1mm 미만인 상기 (1) 또는 (2)의 열간 압연용 티탄 소재.
(4) 상기 티탄 주편은, 전자 빔 용해 또는 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 슬래브인, 상기 (1)~(3) 중 어느 하나의 열간 압연용 티탄 소재.
(5) 상기 용접은, 전자 빔 용접, 플라즈마 아크 용접 또는 TIG 용접인, 상기 (1)~(4) 중 어느 하나의 열간 압연용 티탄 소재.
(6) 상기 용접은, 진공 중에서 행해지는, 상기 (1)~(5) 중 어느 하나의 열간 압연용 티탄 소재.
본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재는, 티탄재의 제조할 때에 종래 필요했던 분괴나 단조 등의 열간 가공 공정을 생략해도, 이 열간 가공 공정을 거치는 경우와 동등 이상의 표면 성상을 가지는 티탄재의 제조를 가능하게 하는 것이며, 열간 가공 공정의 생략에 의한 가열 시간의 저감이나 표면 품질 향상에 의한 산세량의 저감에 의해 수율의 향상이 도모되기 때문에, 제조 비용의 삭감 뿐만 아니라, 에너지 효율의 향상에도 큰 효과가 있어, 산업상의 효과는 헤아릴 수 없다.
도 1은, 티탄 주편(티탄 슬래브)의 압연면에 해당하는 면인 표면에 용접이 행해진, 이 티탄 주편과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판을 구비하는 본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는, 티탄 주편의 압연면에 해당되는 면인 표면 뿐만이 아니라 측면에도, 이 티탄 주편과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판을 용접하여 접합된 본 발명에 관련된 다른 열간 압연용 티탄 소재를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이후의 설명에서는, 화학 조성에 관한 「%」는 특별히 언급이 없는 한 「질량%」를 의미한다.
도 1은, 티탄 주편(티탄 슬래브)(3)의 압연면(3a, 3a)에 해당하는 면인 표면에 용접이 행해진, 이 티탄 주편(3)과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판(4, 4)을 구비하는 본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재(1)를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
또, 도 2는, 티탄 주편(3)의 압연면(3a, 3a)에 해당되는 면인 표면 뿐만이 아니라 측면(3b, 3b)에도, 이 티탄 주편(3)과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판(5, 5)을 용접하여 접합된 본 발명에 관련된 다른 열간 압연용 티탄 소재(2)를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
또한, 도 1, 2에 있어서의 부호 6은, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 5)의 용접부(용접선)를 나타낸다.
도 1, 2에 나타내는 바와 같이, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)는, 티탄 주편(3)의 압연면(3a, 3a)에 해당하는 면인 표면에, 티탄 주편(3)과 동일 규격(화학 조성)으로 이루어지는 티탄판(4, 4)이 용접에 의해 부착되어 있다.
후술하는 바와 같이, 용접에 의해 부착되는 티탄판(4, 4)의 조직은, 매우 미세한 결정립을 가진다. 그 때문에, 티탄판(4, 4)을 티탄 주편(3)에 부착함으로써, 열간 압연 시에 있어서의 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)의 압연면에 해당하는 면의 결정립을 간단하고 또한 확실히 미세화할 수 있어, 이것에 의해, 티탄 주편(3)의 주입 상태의 조대한 응고 조직의 변형 이방성의 영향에 의한 표면흠의 발생을 경감 혹은 해소할 수 있어, 표면 성상이 우수한 티탄재를 얻을 수 있다.
본 발명에서는, 티탄 주편(3)이 공업용 순티탄 혹은 티탄 합금 중 어느 하나로 이루어지는 경우에 있어서도, 이 티탄 주편(3)과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판(4, 4)을 티탄 주편(3)에 부착함으로써 상술한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 공업용 순티탄이란, JIS 규격의 1종~4종, 및 그에 대응하는 ASTM 규격의 Grade 1~4, DIN 규격의 3·7025, 3·7035, 3·7055로 규정되는 공업용 순티탄을 포함한다.
즉, 본 발명에서 대상으로 하는 공업용 순티탄은, C：0.1% 이하, H：0.015% 이하, O：0.4% 이하, N：0.07% 이하, Fe：0.5% 이하, 잔부 Ti로 이루어지는 것이라고 할 수 있다. 또한, 이들에 약간의 백금족 원소를 첨가하여, 모디파이드(개량) 순티탄으로 불리고 있는 고내식성 합금(ASTM Grade 7, 11, 16, 26, 13, 30, 33 혹은 이들에 대응하는 JIS종이나 또한 다양한 원소를 소량 함유시킨 티탄재)도, 본 발명에서는, 공업용 순티탄에 포함되는 것으로 한다.
또, 티탄 합금은, 통상, 열간 압연이나 냉간 압연에 의해 판재로 성형되거나, 선재나 봉재 등의 형상의 제품도 제조된다. 여기서, 티탄 합금이란, 상기의 α형 티탄 합금, 혹은 α+β형 티탄 합금, β형 티탄 합금이 적용 가능하다. 따라서, 본 발명에서는, 티탄 합금의 화학 조성은 특별히 한정되는 것은 아니다.
표 1에, 티탄 합금에 함유됨으로써, 그 특성의 향상에 기여하는 것이 알려져 있는 원소를 나타낸다. 본 발명에 관련된 티탄 합금은, 예를 들면, 질량%로, O：0~0.5%, N：0~0.2%, C：0~2.0%, Al：0~8.0%, Sn：0~10.0%, Zr：0~20.0%, Mo：0~25.0%, Ta：0~5.0%, V：0~30.0%, Nb：0~40.0%, Si：0~2.0%, Fe：0~5.0%, Cr：0~10.0%, Cu：0~3.0%, Co：0~3.0%, Ni：0~2.0%, 백금족 원소：0~0.5%, 희토류 원소：0~0.5%, B：0~5.0%, 및, Mn：0~10.0%로부터 선택되는 1종 이상을 0%를 넘어 함유시킴으로써, 티탄재의 표면에 목표로 하는 기능을 부여할 수 있다.
상기 이외의 원소로 티탄에 함유시킬 수 있는 원소는, 금속 재료의 일반 상식으로서 고용 강화, 석출 강화(고용되지 않는 경우와 석출물을 형성시키는 경우가 있다)에 의한 강도 향상이나 함유시키는 원소에 따라서는 크리프 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 원소는, 원자 번호로 수소(1)부터 아스타틴(85)까지의 원소(단, 제18족 원소인 희가스 원소를 제외한다)가 예시되며, 합계로 5% 정도까지 허용된다.
상기 이외의 잔부는, Ti 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 원료나 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소 및 제조 중에 혼입되는 원소가 있으며, 예로서 C, N, O, Fe, H 등이 대표적인 원소이며, 그 외에 Mg, Cl 등 원료로부터 혼입되는 원소나 Si, Al, S 등 제조 중에 혼입되는 원소 등이 있다. 이러한 원소는, 2% 정도 이하이면 본원의 목표 특성을 저해하지 않는 범위라고 생각할 수 있다.
또, 표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명에 관련된 티탄 합금은, 예를 들면, 질량%로, O：0.01~0.5%, N：0.01~0.2%, C：0.01~2.0%, Al：0.1~8.0%, Sn：0.1~10.0%, Zr：0.5~20.0%, Mo：0.1~25.0%, Ta：0.1~5.0%, V：1.0~30.0%, Nb：0.1~40.0%, Si：0.1~2.0%, Fe：0.01~5.0%, Cr：0.1~10.0%, Cu：0.3~3.0%, Co：0.05~3.0%, Ni：0.05~2.0%, 백금족 원소：0.01~0.5%, 희토류 원소：0.001~0.5%, B：0.01~5.0%, 및, Mn：0.1~10.0%로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
본 발명에 관련된 티탄 합금은, O：0.02~0.4%, N：0.01~0.15%, C：0.01~1.0%, Al：0.2~6.0%, Sn：0.15~5.0%, Zr：0.5~10.0%, Mo：0.2~20.0%, Ta：0.1~3.0%, V：2.0~25.0%, Nb：0.15~5.0%, Si：0.1~1.0%, Fe：0.05~2.0%, Cr：0.2~5.0%, Cu：0.3~2.0%, Co：0.05~2.0%, Ni：0.1~1.0%, 백금족 원소：0.02~0.4%, 희토류 원소：0.001~0.3%, B：0.1~5.0%, 및, Mn：0.2~8.0%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것이 보다 바람직하고, O：0.03~0.3%, N：0.01~0.1%, C：0.01~0.5%, Al：0.4~5.0%, Sn：0.2~3.0%, Zr：0.5~5.0%, Mo：0.5~15.0%, Ta：0.2~2.0%, V：5.0~20.0%, Nb：0.2~2.0%, Si：0.15~0.8%, Fe：0.1~1.0%, Cr：0.2~3.0%, Cu：0.3~1.5%, Co：0.1~1.0%, Ni：0.1~0.8%, 백금족 원소：0.03~0.2%, 희토류 원소：0.001~0.1%, B：0.2~3.0%, 및, Mn：0.2~5.0%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것이 더 바람직하다.
Figure 112018015097016-pct00001
또, 예를 들면, 하기에 나타내는 JIS 규격으로 정해진 티탄 합금을 이용할 수 있다.
JIS 11종~JIS 23종(JIS 4600(2012년) 티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)：Pd, Ru, Ni, Co 등을 포함하며, 내식성 및 내극간 부식성이 우수하다.
JIS 50종(JIS 4600(2012년) 티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)：Ti-1.5Al이며, 내식성이 우수하고, 내수소 흡수성 및 내열성이 우수하다.
JIS 60종(JIS 4600(2012년) 티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)：Ti-6Al-4V이며, 고강도이고 범용성이 높다.
JIS 61종(JIS 4600(2012년) 티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)：Ti-3Al-2.5V이며, 용접성, 성형성이 양호하고, 절삭성이 양호하다.
JIS 80종(JIS 4600(2012년) 티탄 및 티탄 합금-판 및 스트립)：Ti-4Al-22V이며, 고강도이고 냉간 가공성이 우수하다.
또한, 상기 이외에 JIS에 규정되어 있지 않은 화학 성분을 가지는 티탄 합금을 이용할 수도 있다. 예를 들면, 이하에 열기한 대로이다.
내열성을 가지는 티탄 합금：Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si, Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.2Si, Ti-8Al-1Mo-1V 등.
저합금이며 고강도의 티탄 합금：Ti-1~1.5Fe-0.3~0.5O-0.01~0.04N 등.
저합금이며 내열성이 있는 티탄 합금：Ti-1Cu, Ti-1Cu-0.5Nb, Ti-1Cu-1Sn-0.35Si-0.5Nb 등.
내크리프성이 우수한 티탄 합금：Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 등.
고강도이며 냉간 가공성이 좋은 티탄 합금：Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, Ti-20V-4Al-1Sn 등.
고강도 고인성을 가지는 티탄 합금：Ti-10V-2Fe-3Al 등.
내마모성이 우수한 티탄 합금：Ti-6Al-4V-10Cr-1.3C 등.
표층부(1a)의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층부)은, 목표 특성을 발현시키는 합금 원소를 함유하며, 잔부는 티탄 및 불순물인 것이 바람직하다. 목표 특성을 발현시키는 합금 원소로서는, 하기의 것이 예시되지만, 이것에 한정 되는 것은 아니다.
(a) 내식성을 발현시키는 합금 원소：질량%로, 0.01~0.25%의 백금족 원소(Pd 및/또는 Ru), 필요에 따라, 0.2% 이하의 희토류 원소, 또한, Co：0.8% 이하, Ni：0.6% 이하로부터 선택되는 1종 이상 등.
(b) 내산화성을 발현시키는 합금 원소：0.1~0.6%의 Si, 0.1~2.0%의 Nb, 0.3~1.0%의 Ta 및 0.3~1.5%의 Al로부터 선택되는 1종 이상, 필요에 따라, 1.5% 이하의 Sn, 1.5% 이하의 Cu 및 0.5% 이하의 Fe로부터 선택되는 1종 이상(단, 합계로 2.5% 이하).
(c) 내피로성을 발현시키는 합금 원소：합계로 0.08~1.0%의 Fe, Cr, Ni, Al 및 Zr로부터 선택되는 1종 이상.
(d) 내수소 취화성을 발현시키는 합금 원소：8.0＜Mo당량＜20.0의 범위의 Mo, V 및 Nb로부터 선택되는 1종 이상(단, Mo당량=Mo함유량(질량%)+V함유량(질량%)/1.5+Nb함유량(질량%)/3.6이다.) .
(e) 중성자 차단성을 발현시키는 합금 원소：0.1~3.0%의 B.
상기 (a)~(e)의 각각의 경우에 대해서, 개별적으로 설명한다.
(a) 내식성을 발현시키는 합금 원소를 포함하는 경우
(화학 성분)
본 발명의 열간 가공용 티탄재로부터 제조된 티탄 복합재의 표층의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층)의 내식성을 높이기 위해, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 이하에 게재하는 각종 합금 원소를 함유시켜도 된다.
백금족 원소：0.01~0.25%
백금족 원소는, 티탄 합금의 수소화 전압을 저하시켜, 자연 전위를 부동 대역으로 유지하는 효과를 가지며, 내식성을 발현시키는 합금 원소로서 함유시킬 수 있다. 백금족 원소의 함유량(복수의 백금족 원소를 함유하는 경우에는 합계 함유량)이 0.01% 미만이면 내식성이 불충분해지고, 0.25%를 넘어도 내식성의 향상을 별로 기대할 수 없을 뿐만 아니라, 원료 비용의 상승을 초래하는 요인이 된다. 백금족 원소를 함유시키는 경우에는, 그 함유량을 0.01~0.25%로 한다. 백금족 원소의 함유량은 0.03% 이상인 것이 바람직하고, 0.05% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 0.20% 이하인 것이 바람직하고, 0.15% 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에서 이용되는 백금족 원소는, 어느 원소도 티탄 합금의 내식성을 높이는 효과가 있어 유용하지만, 특히, 함유율당 내식성 향상 효과가 높은 Pd를 함유시키는 것이 바람직하다. 또, 비교적 염가의 Ru도 Pd의 대체로서 사용할 수 있다.
백금족 원소를 함유하는 티탄 합금 중에 희토류 원소가 첨가되면, 부식 환경에 노출되었을 때에, Ti 및 백금족 원소가 신속하게 용출되어, 티탄 합금 근방의 용액 중의 백금족 원소의 농도가 높아진다. 이 결과, 티탄 합금에서의 백금족 원소의 석출이 촉진되어, 티탄 합금의 용해량이 적어도 백금족 원소를 효율적으로 석출시킬 수 있어, 내식성의 향상으로 연결된다.
희토류 원소：0~0.2%
희토류 원소에는, Sc, Y, 경희토류 원소(La~Eu) 및 중희토류 원소(Gd~Lu)가 있으며, 어느 희토류 원소를 첨가한 경우에도, 상기의 효과를 기대할 수 있다. 또, 분리 정제 전의 혼합 희토류 원소(미쉬메탈, Mm) 또는 디디뮴 합금(Nd-Pr합금)과 같은 희토류의 혼합물 또는 화합물을 이용한 경우도, 동일한 효과를 기대할 수 있다.
이상을 고려하면, 첨가하는 희토류 원소는, 1종류일 필요는 없고, 복수의 원소를 동시에 함유해도, 상기의 효과에 의해 내식성이 향상된다고 생각할 수 있다. 그 경우, 희토류 원소의 합계 함유량은 상기의 원소의 합계 함유량을 의미한다.
희토류 원소의 함유량이 과잉한 경우, 상기의 효과는 포화되기 때문에, 그 이상의 내식성 향상 효과는 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 경제성이 열화된다. 이 때문에, 희토류 원소를 함유시키는 경우의 함유량은, 0.2% 이하가 바람직하고, 0.02% 이하가 보다 바람직하다. 한편, 티탄 합금의 활성태역에서 Ti와 백금족 원소를 용출시켜, 합금 표면으로의 백금족 원소의 석출을 촉진시키는 효과를 충분히 얻기 위해서는, 희토류 원소를 0.001% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.
Co：0~0.8%
Ni：0~0.6%
Co 및 Ni는, 수소화 전압을 변화시킴으로써 티탄 합금의 내식성을 향상시키는 원소이며, 백금족 원소 및/또는 희토류 원소와 복합 첨가됨으로써, 극히 높은 내식성이 얻어진다. 그러나, Co는 0.8%를 넘고, Ni는 0.6%를 넘어 함유되어도, 그 효과는 포화되어 버리고, 또, 경제성의 관점에서도 바람직하지 않다. 이 때문에, 이러한 원소를 함유시키는 경우에는, Co함유량은 0.8% 이하, Ni함유량은 0.6% 이하로 한다. Co함유량은 0.7% 이하인 것이 바람직하고, Ni함유량은 0.5% 이하인 것이 바람직하다. 상기 효과를 확실히 얻기 위해서는, Co, Ni 모두 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하고, 0.2% 이상 함유시키는 것이 보다 바람직하다.
상기 이외의 잔부는, 티탄 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소로서 Cr, Ta, Al, V, Cr, Nb, Si, Sn, Mn, Mo 및 Cu 등이 있으며, 일반적인 불순물 원소인 C, N, Fe, O 및 H와 합해, 총량 0.5% 이하이면 허용된다.
(b) 내산화성을 발현시키는 합금 원소를 포함하는 경우
(화학 성분)
티탄의 산화는, 산화막 중에 산소가 확산되어 표면의 티탄과 결합됨으로써 일어나는 이른바 내방 확산으로 불리는 산화 형태를 취하기 때문에, 산소의 확산이 억제되면 산화가 억제된다. 티탄 합금에서는, 고온의 600~800℃에 있어서의 내산화성을 향상시키는 경우, Si나 Nb와 같은 합금 원소를 첨가한다. Si를 첨가한 경우, 고온의 분위기에 노출되었을 때에 실리콘 산화물을 표층에 형성시켜 배리어가 되기 때문에, 산소의 티탄 내부로의 확산이 억제되어 내산화성을 향상시킨다. 또, Nb는 티탄의 산화 피막 중에 고용되어, 티탄이 4가인데 반해, 5가이기 때문에, 산화막 중의 산소의 공공 농도가 저하되어, 산화막 중의 산소의 확산이 억제된다.
본 발명의 열간 가공용 티탄재로부터 제조된 티탄 복합재의 표층의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층)의 내산화성을 높이기 위해, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 이하에 게재하는 각종 합금 원소를 함유시켜도 된다.
Si：0.1~0.6%
Si는, 600~800℃에 있어서의 고온에서의 내산화성을 향상시키는 작용을 가진다. Si함유량이 0.1% 미만이면, 내산화성의 향상값이 적다. 한편, Si함유량이 0.6%를 넘으면, 내산화성으로의 영향이 포화됨과 함께, 실온 뿐만 아니라 고온에서의 가공성이 현저하게 저하된다. 따라서, Si를 함유시키는 경우에는 그 함유량을 0.1~0.6%로 한다. Si함유량은 0.15% 이상인 것이 바람직하고, 0.20% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 0.55% 이하인 것이 바람직하고, 0.50% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Nb：0.1~2.0%
Nb도, 고온에서의 내산화성을 향상시키는 작용을 가진다. 내산화성을 향상시키기 위해, Nb함유량은 0.1% 이상으로 한다. 한편, Nb함유량이 2.0%를 넘어 함유시켜도 효과가 포화되고, Nb는 고가의 첨가 원소이기 때문에, 합금 비용의 증가로 연결된다. 따라서, Nb를 함유시키는 경우에는 그 함유량은 0.1~2.0%로 한다. Nb함유량은 0.3% 이상인 것이 바람직하고, 0.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 1.5% 이하인 것이 바람직하고, 1.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Ta：0.3~1.0%
Ta도, 고온에서의 내산화성을 향상시키는 작용을 가진다. 내산화성을 향상시키기 위해, Ta함유량은 0.3% 이상으로 한다. 한편, Ta함유량이 1.0%를 넘어 함유시켜도, Ta는 고가의 첨가 원소이기 때문에, 합금 비용의 증가로 연결될 뿐만 아니라, 열처리 온도에 따라서는 β상의 생성이 염려된다. 따라서, Ta를 함유시키는 경우에는 그 함유량은 0.3~1.0%로 한다. Ta함유량은 0.4% 이상인 것이 바람직하고, 0.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 0.9% 이하인 것이 바람직하고, 0.8% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Al：0.3~1.5%
Al도 고온에서의 내산화성을 향상시키는 원소이다. 그 한편으로, Al은 다량으로 함유하면 실온에서의 연성을 현저하게 저하시킨다. Al함유량이 0.3% 이상이면 충분히 내산화 특성을 발현한다. 또, Al함유량이 1.5% 이하이면, 냉간에서의 가공을 충분히 담보할 수 있다. 따라서, Al를 함유시키는 경우에는 그 함유량을 0.3~1.5%로 한다. Al함유량은 0.4% 이상인 것이 바람직하고, 0.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, 1.2% 이하인 것이 바람직하다.
또한, Si, Nb, Ta 및 Al은, 각각 단독이라도 함유시키면 내산화성은 향상되지만, 복합해서 함유시킴으로써, 내고온 산화성을 더 향상시킬 수 있다.
상기의 원소에 더하여, Sn, Cu 및 Fe로부터 선택되는 1종 이상을 함유시켜도 된다.
Sn：0~1.5%
Sn은, α상 안정화 원소이며, 또한, Cu와 마찬가지로, 고온 강도를 높이는 원소이다. 그러나, Sn함유량이 1.5%를 넘으면, 쌍정 변형을 억제하여, 실온에서의 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, Sn을 함유시키는 경우에는 그 함유량은 1.5% 이하로 한다. Sn함유량은 1.3% 이하인 것이 바람직하고, 1.2% 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Sn함유량은 0.2% 이상인 것이 바람직하고, 0.5% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Cu：0~1.5%
Cu는, 고온 강도를 높이는 원소이다. 또, α상으로 일정 정도 고용되기 때문에, 고온에서 사용했을 때에도 β상을 생성하지 않는다. 그러나, Cu함유량이 1.5%를 넘으면, 온도에 따라서는 β상을 생성해 버린다. 그 때문에, Cu를 함유시키는 경우에는 그 함유량은 1.5% 이하로 한다. Cu함유량은 1.4% 이하인 것이 바람직하고, 1.2% 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기의 효과를 얻고 싶은 경우에는, Cn함유량은 0.2% 이상인 것이 바람직하고, 0.4% 이상인 것이 보다 바람직하다.
Fe：0~0.5%
Fe는, β상 안정화 원소이지만, 소량이면 β상의 생성이 적고, 내산화성에 큰 영향을 주지 않는다. 그러나, Fe함유량이 0.5%를 넘으면 β상의 생성량이 많아져, 내산화성을 열화시킨다. 그 때문에, Fe를 함유시키는 경우에는 그 함유량은 0.5% 이하로 한다. Fe함유량은 0.4% 이하인 것이 바람직하고, 0.3% 이하인 것이 보다 바람직하다.
Sn, Cu 및 Fe의 합계 함유량이 2.5%를 넘으면, 실온에서의 가공성을 저하시켜, 온도에 따라서는 β상이 생성되게 된다. 이 때문에, Sn, Cu 및 Fe로부터 선택되는 1종 이상을 함유시키는 경우에는, 그 합계 함유량을 2.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 이외의 잔부는, 티탄 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소로서 Cr, V, Cr, Mn 및 Mo 등이 있으며, 일반적인 불순물 원소인 C, N, O 및 H와 합해, 총량 5% 이하이면 허용된다.
(c) 내피로성을 발현시키는 합금 원소를 포함하는 경우
(화학 성분)
본 발명의 열간 가공용 티탄재로부터 제조된 티탄 복합재의 표층의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층)의 내피로성을 높이기 위해, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 이하에 게재하는 각종 합금 원소를 함유시켜도 된다.
Fe, Cr, Ni, Al 및 Zr로부터 선택되는 1종 이상：0.08~1.0%
피로 파괴의 기점은 판재의 표면이기 때문에, 성형성을 유지한 상태로 높은 내피로성을 얻기 위해서는, α상의 결정 입경을 15μm 이하로 하는 것이 바람직하다. α상의 결정 입경은 10μm 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 5μm 이하로 하는 것이 더 바람직하다.
α상의 결정 입경을 15μm 이하로 하고, 높은 내피로성을 얻기 위해서는, Fe, Cr, Ni, Al 및 Zr의 합계 함유량을 0.08% 이상으로 한다. 한편, 이들 원소의 합계 함유량이 1.0%를 넘으면 신장률 또는 성형성 등의 연성을 크게 저하시키는 경우가 있다. 그 때문에, Fe, Cr, Ni, Al 및 Zr로부터 선택되는 1종 이상의 합계 함유량을 0.08~1.0%로 한다.
상기 이외의 잔부는, 티탄 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소로서, Sn, Mo, V, Mn, Nb, Si, Cu, Co, Pd, Ru, Ta, Y, La 및 Ce 등이 있으며, 일반적인 불순물 원소인 C, N, O 및 H와 합해, 총량 5% 이하이면 허용된다.
(d) 내수소 취화성을 발현시키는 합금 원소를 포함하는 경우
(화학 성분)
본 발명의 열간 가공용 티탄재로부터 제조된 티탄 복합재의 표층의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층)의 내수소 흡수성을 높이기 위해, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 이하에 게재하는 각종 합금 원소를 함유시켜도 된다.
8.0＜Mo당량＜20.0
단, Mo당량=Mo함유량(질량%)+V함유량(질량%)/1.5+Nb함유량(질량%)/3.6이다.
내수소 흡수성을 얻는 층은, β안정화 원소를 일정 범위 함유하는 티탄 합금층이다. β상을 형성하는 것을 규정하는 이유는, 티탄의 α상은 불과 수 10ppm의 수소 농도에서도 수소화물을 형성하는데 반해, 티탄 합금의 β상은 대체로 1000ppm 이상의 수소를 고용할 수 있기 때문에, 수소 기인에 의한 취화를 일으키기 어려운 특징을 가지기 때문이다.
Fe, Cr 등의 공석형의 β안정화 원소를 포함하는 경우에는, 티탄과 그들 원소가 화합물을 형성하여, 취화를 초래할 우려가 있다. 그러나, β안정화 원소 중, Mo, V 및 Nb를 「8.0＜Mo당량＜20.0」을 만족하는 범위에서 함유하는 경우에는, Fe 및 Cr 등이 동시에 존재하고 있어도 β상이 안정되어, 화합물상을 형성하지 않기 때문에 취화를 일으키지 않는다.
여기서, Mo당량의 하한은, 충분한 양의 β상을 얻기 위해 필요한 합금량이다. 상한은, 합금 첨가량이 많은 티탄 합금은 가격이 높기 때문에, 비용면에서 사용에 적합하지 않기 때문에 정했다.
상기 이외의 잔부는, 티탄 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소로서 Ta, Si, Mn 및 Cu 등이 있으며, 일반적인 불순물 원소인 C, N, Fe, O 및 H와 합해, 총량 5% 이하 허용된다.
(e) 중성자 차단성을 발현시키는 합금 원소를 포함하는 경우
(화학 성분)
본 발명의 열간 가공용 티탄재로부터 제조된 티탄 복합재의 표층의 적어도 한쪽(적어도 외부 환경에 접하는 표층)에 중성자선 차폐 효과를 구비시키기 위해, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 열간 가공용 티탄재의 표층부는, 이하에 게재하는 각종 합금 원소를 함유시켜도 된다.
B：0.1~3.0%
B 중에는, 10B가 19.9% 존재하지만, 이 10B는, 열중성자의 흡수 단면적이 커, 중성자선의 차폐 효과가 크다. B함유량이 0.1% 미만에서는 중성자선 차폐 효과를 충분히 얻지 못하며, B함유량이 3.0%를 넘으면 열간 압연 시의 균열 및 가공성의 열화를 일으킬 우려가 있다.
여기서, B를 함유하는 티탄 합금은, 티탄에 B 또는 TiB2 등의 붕화물을 첨가함으로써 제작 가능하다. 이 외에, H3 10BO3, 10B2O10B4C 등의 10B 농축 붕소 함유 소재(10B함유량이 대체로 90% 이상)를 이용하면, B함유량이 적어도 중성자선 차폐 효과가 크기 때문에, 극히 유효하다.
H3 10BO3, 10B2O, 10B4C를 사용하는 경우, 합금층에 H 및 O도 농화되게 되지만, H는 진공 소둔 등의 열처리 시에 소재로부터 빠지기 때문에 문제가 되지 않으며, O 및 C는, 공업용 순티탄에 포함되는 상한 이하의 0.4질량% O 이하, 0.1질량% C 이하이면 문제없이 제조가 가능하다.
상기 이외의 잔부는, 티탄 및 불순물이다. 불순물로서는, 목표 특성을 저해하지 않는 범위에서 함유할 수 있으며, 그 외의 불순물은 주로 스크랩으로부터 혼입되는 불순물 원소로서 Cr, Ta, Al, V, Cr, Nb, Si, Sn, Mn, Mo 및 Cu 등이 있으며, 일반적인 불순물 원소인 C, N, Fe, O 및 H와 합해, 총량 5% 이하이면 허용된다.
또한, 본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)를 제조함에 있어서, 그 소재가 되는 티탄 주편(3)은, 기본적으로는, 임의의 용해법, 임의의 주조법에 의해 얻어진 것이면 된다. 본 발명의 효과를 가장 유효하게 발휘시킬 수 있는 티탄 주편(3)은, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법에 의해 티탄 스펀지나 티탄 스크랩 등의 원료를 진공 하에서 용해시키고, 그 티탄 용탕을, 진공 하에서의 DC슬래브 주조법에 의해, 단면이 긴 직사각형 형상을 이루는 직사각형(슬래브 형상)으로 주조한 직사각형 티탄 주편이다.
이 DC슬래브 주조법에 의하면, 열간 압연에 적절한 형상, 치수의 단면 직사각형 형상의 직사각형 티탄 주편을 용이하게 얻을 수 있으며, 그 때문에 분괴 압연이나 단조 등의 열간에서의 브레이크다운 공정을 생략할 수 있는 것이다.
또, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)의 치수는, 그대로 열간 압연에 제공할 수 있는 치수이면 특별히 한정되지 않는다. 열간 압연으로서 코일 압연을 적용하여, 판두께 3~8mm 정도의 열연 코일 박중판(薄中板)을 제조하는 경우, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)로서는, 두께 150~280mm 정도, 길이 3~10m 정도, 폭 600~1500mm 정도로 하면 된다.
또한, 열간 압연용으로 제공되는 빌릿, 블룸 등도 그 압연면에 상당하는 부분에 티탄판을 용접하여 열간 압연을 행해도 동일한 효과가 발휘된다. 이 때문에, 본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)를 구성하는 티탄 주편은, 직사각형(슬래브 형상)에 한정되지 않고, 빌릿이나 블룸도 포함된다.
도 1, 2에 나타내는 바와 같이, 티탄판(4, 4)을 티탄 주편(3)에 부착하는 용접은, 용접 후에 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4) 사이에 대기가 침입하지 않도록, 티탄판(4, 4)의 외주부에서 용접하는 것이 바람직하고, 티탄판(4, 4)의 외주부 뿐만 아니라 중앙부에서도 용접하는 것이 더 바람직하다. 이것에 의해, 주편(3)과 티탄판(4, 4)의 용접부 이외의 비용접부도, 열간 압연 중에 압착되어 완전하게 결합한다. 이 때문에, 열간 압연 중에 티탄판(4, 4)이 티탄 주편(3)으로부터 박리했기 때문에 그 후의 공정에서 열간 압연된 티탄 부재에 있어서의 티탄판(4, 4)에 상당하는 부위를 예를 들면 산세에 의해 용삭할 필요가 없다.
티탄판(4, 4)을 티탄 주편(3)에 용접에 의해 부착할 때에는, 진공 중에서 행하는 것이 바람직하다. 진공 중에서 용접을 행함으로써, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4)의 용접부 이외의 비용접부의 내부를 진공으로 밀폐할 수 있다.
티탄판(4, 4)을 티탄 주편(3)에 용접에 의해 부착할 때에는, 용접을 불활성 가스 분위기에서 행해도 된다. 이 경우에는, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4) 사이에 불활성 가스가 갇혀, 열간 압연을 행해도 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4)이 충분히 압착되지 않는 것에 기인하여, 열간 압연 중에 티탄 주편으로부터 티탄판(4, 4)이 박리할 우려도 있기 때문에, 주의를 필요로 한다.
또한, 본 발명에 있어서는, 열간 압연 시에 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4)이 압착되어 있으면 되며, 이러한 관점에서는, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4)의 용접부 이외의 비용접부의 내부를 초고진공으로 할 필요는 없다. 진공 중에서 용접하는 경우의 진공도는 3×10- 3Torr보다 높은 진공도이면, 열간 압연 시에 충분히 밀착되기 때문에, 이 이상의 진공도인 것이 바람직하다.
또한, 티탄판(4, 4)을 예를 들면 대기압 하에서 티탄 주편(3)에 용접하면, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 4)이 충분히 밀착되지 않는 경우가 있지만, 이러한 경우에는 열간 압연 후에 예를 들면 산세에 의해 티탄재에 있어서의 티탄판(4, 4)에 상당하는 부분을 용삭하면 되며, 이것에 의해서도, 티탄 주편(3)의 주입 상태의 조대한 응고 조직에 기인한 변형 이방성의 영향에 의한 티탄재의 표면흠을 저감할 수 있어, 분괴 공정을 거치는 경우와 동등한 표면 성상을 얻을 수 있다.
또, 도 2에 나타내는 바와 같이, 열간 압연 시의 엣지측이 되는 티탄 주편(직사각형 슬래브)(3)의 측면(3b, 3b)에 대해서도, 티탄 주편(3)의 압연면(3a, 3a)과 마찬가지로, 티탄 주편(3)과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판(5, 5)을 접합하여 용접해도 된다.
즉, 열간 압연에 있어서는, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)에 압하가 가해짐으로써, 열간 압연에 있어서는, 일반적으로, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)의 엣지측의 면의 적어도 일부가 티탄재(열연재)의 평면측으로 돌아들어간다. 그 때문에, 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)의 측면(3b, 3b)의 표층이 조대하거나, 이 표층에 다수의 결함이 존재하고 있으면, 티탄재(열연판)의 판폭 방향의 양단 근처에 표면흠이 발생할 가능성이 있다.
그래서, 티탄 주편(직사각형 슬래브)(3)의 측면(3b, 3b)에 대해서도 티탄 주편(3)의 압연면(3a, 3a)과 마찬가지로, 티탄 주편(3)과 동일 화학 조성을 가지는 티탄판(5, 5)을 접합하여 용접해 둠으로써, 이러한 사태가 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
티탄 주편(직사각형 슬래브)(3)의 측면(3b, 3b)에 있어서의, 티탄판(5, 5)을 접합하여 용접하는 범위는, 적어도, 티탄 주편(3)에 있어서의, 압연면(3a)과 측면(3b)에 의해 형성되는 코너부(3c)로부터 슬래브 두께 방향으로 예를 들면 20~30mm의 범위가 예시된다.
용접하는 티탄판(4, 5)의 두께는 1~20mm인 것이 바람직하다. 용접하는 티탄판(4, 5)의 두께가 너무 얇으면, 열간 압연 시에 티탄판(4, 5)이 파손되어 티탄 주편(3)의 조대한 주조 조직이 표면에 노출되어, 티탄재의 표면 성상이 악화될 우려가 있다. 또, 상술한 바와 같이 티탄판(4, 5)과 티탄 주편(3)을 진공 중에서 용접하는 경우에는, 티탄판(4, 5)이 티탄 주편(3)에 압착되기 전에 벗겨지면, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 5) 사이에 대기가 침입하여, 열간 압연 전의 가열 시에 티탄 주편(3)의 표면이 산화되어, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 5)이 열간 압연에 의해서도 압착되지 않고, 열간 압연의 도중에 박리할 우려가 있기 때문이다. 티탄판(4, 5)의 두께가 1mm 이상이면, 열간 압연 중에 티탄판(4, 5)이 파손되는 일이 없다. 이 때문에, 티탄판(4, 5)의 두께는 1mm 이상인 것이 바람직하다.
한편, 티탄판(4, 5)의 두께가 너무 두꺼워지면, 용접 중의 입열(入熱)이 커지기 때문에, 용접열 영향부에서 티탄판(4, 5)의 결정립이 조대화하여, 티탄재의 표면 성상이 악화될 우려가 있다. 티탄판(4, 5)의 두께가 20mm 이하이면, 용접 시에 있어서의 티탄판(4, 5)의 결정립의 조대화는 현저하지 않다. 이 때문에, 티탄판(4, 5)의 두께는 20mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 티탄판(4, 5)의 결정 입경은 1mm 미만인 것이 바람직하다. 티탄판(4, 5)의 결정 입경이 조대하면, 티탄판(4, 5)을 티탄 주편(3)에 용접하여 접합한 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)에 열간 압연을 행해도, 티탄 특유의 강한 소성 이방성에 기인한 표면흠이 발생하여, 티탄재의 표면 성상은 향상되지 않는다. 티탄판(4, 5)의 결정 입경이 1mm 미만이면 티탄재의 표면 성상은 악화되지 않는다. 이 때문에, 티탄판(4, 5)의 결정 입경은 1mm 미만인 것이 바람직하다.
또한, 티탄판(4, 5)의 결정 입경은 미세하면 티탄재의 표면 성상은 악화되지 않기 때문에, 특히 하한을 특별히 설정하지 않지만, 공업적으로 제조 가능한 티탄판(4, 5)의 결정 입경의 하한은 공업용 순티탄의 경우에는 5μm 정도이다. 또, 티탄 합금의 경우, 급냉 등에 의해 생긴 침상 조직이 되는 경우가 있어, 이 경우에는, 면적법에 의해 원환산 상당한 경우의 직경을 결정 입경으로 하고, 그것이 1mm 미만이면 표면흠 발생의 억제 효과가 있기 때문에, 원환산 상당의 직경을 결정 입경으로 한다.
티탄 주편(3)은, 전자 빔 용해 혹은 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 주편인 것이 바람직하다. 전자 빔 등의 용해법에 의해 얻어지며, 직접 열간 압연 가능한 주편의 주조 상태의 주물 표면을 가지는 티탄 주편, 냉간 정정에 의해 주물 표면을 제거한 티탄 주편 중 어느 것이어도 상관없다.
이러한 직사각형의 티탄 주편은, 분괴 압연 혹은 단조로 이루어지는 브레이크다운 공정을 거치지 않고 얻어진 것이며, 전자 빔 용해법이나 플라즈마 아크 용해법 등이 적용 가능하다. 특히, 전자 빔 용해법에 있어서는, 고진공 중의 용해이기 때문에, 용해 후에 슬래브 표면 부근에 잔존하는 공극 내부가 진공이 되기 때문에, 열간 압연 시에, 그 공극을 압착하여 무해화하기 쉬운 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 통상의 절삭 등에 의한 주편 표면 손질, 즉 냉간 정제를 행한 후의 티탄 주편(3)의 표면, 혹은, 손질을 행하지 않고 직접 주조 상태의 티탄 주편(3)의 주물 표면에, 티탄판(4, 5)을 용접해도 된다.
표면 손질을 행하지 않고, 직접, 주조 상태의 티탄 주편(3)의 주물 표면에 티탄판(4, 5)을 용접함으로써, 주조 시에 발생한 균열 등의 주물 표면 결함을 티탄판(4, 5)으로 덮어 가릴 수 있다. 또한, 주편(3)과 티탄판(4, 5)의 사이를 진공으로 유지하면서 용접함으로써, 균열 등의 주물 표면 결함도 열간 압연 시에 압착되어 소멸시킬 수 있다. 그 때문에, 주편(3)의 표층부의 절삭 등에 의한 정제 공정을 생략하면, 공정 생략이나 수율 향상에 의한, 새로운 비용 저감이 기대된다.
단, 열간 압연 시에 압착을 기대할 수 없는 비교적 큰 주물 표면 결함이 티탄 주편(3)에 존재하는 경우에는, 부분적으로 티탄 주편(3)의 표면을 손질한 후, 용융 재응고 처리해도 된다. 또, 전면을 손질한 후에 용융 재응고 처리를 행하면, 티탄 주편(3)의 표면이 평탄해지기 때문에, 열간 압연 시에 티탄판(4, 5)과 압착되기 쉬워져, 보다 안정된 제조가 기대된다.
실시예 1
이하, 실시예 1~3에 의해 본 발명을 상세하게 설명한다.
표 2의 No.1~16에 나타내는 참고예, 본 발명예 및 비교예에서는, 전자 빔 용해법에 의해 공업용 순티탄 1~4 중 어느 하나를 용제하여, 각형 주형을 이용하여 주조함으로써, 도 1, 2에 나타내는 티탄 주편(3)을 제조했다.
Figure 112018015097016-pct00002
그 후, 티탄 주편(3)의 주물 표면의 절삭 손질이 있는 경우에는 절삭에 의해 티탄 주편(3)의 표층의 손질을 행한 후에, 절삭 손질이 없는 경우에는 절삭에 의한 표층의 손질을 행하지 않고, 티탄판(4, 5)의 부착을 위한 용접을 행했다. 특히, No.5, 11의 본 발명예에서는, 티탄 주편(3, 3)의 측면에도 티탄판(5, 5)을 용접에 의해 부착했다.
No.2~6 및 No.16의 본 발명예 및 비교예는, 티탄 주편(3)의 제조 후에 주물 표면을 절삭 제거한 후에 티탄판(4, 5)의 부착 용접을 실시했다. 또, No.7~15의 본 발명예 및 비교예는, 티탄 주편(3)의 제조 후에 주물 표면에 티탄판(4, 5)의 부착 용접을 실시했다.
표 2의 No.2~6, 9~15에 나타내는 본 발명예 및 비교예에 있어서, 티탄 주편(3)과 티탄판(4, 5)의 접합 용접은, 전자 빔에 의해 행했다. 그 때, 규정 출력 30kW의 전자 빔 용접 장치를 이용했다. 또, No.7, 8에 나타내는 티탄 주편(3)과 티탄판(4)의 접합 용접은, 플라즈마 아크 용접에 의해 행했다. 또, No.16에 나타내는 티탄 주편(3)과 티탄판(4)의 접합 용접은, TIG 용접에 의해 행했다.
또, 티탄판(4)의 임의의 장소 10개소에 있어서, 단면 조직 관찰에 의해 결정 입경을 측정하고, 그 평균값을 티탄판(4)의 결정 입경으로서 구했다. 표 1에 측정 결과를 나타낸다.
이와 같이 하여 제조한 열간 압연용 티탄 소재(1, 2)(두께 250mm×폭 1000mm×전체 길이 7000mm)에, 철강 재료의 열간 압연 설비를 이용하여 열간 압연을 행하여, 두께 4mm의 띠형상 코일의 티탄 판재를 제조했다.
이러한 티탄 판재의 표면흠을 평가했다. 표면흠의 평가는, 산세 후의 티탄 판재의 표층을 육안으로 봐서 행했다.
No.1의 종래예는, 공업용 순티탄 잉곳을 이용하여, 종래의 분괴 공정을 거치는 방법으로 제조한 경우이다. 분괴 공정을 거치기 때문에, 제조된 티탄 판재의 표면흠은 경미하다.
No.2의 비교예는, 공업용 순티탄으로 이루어지는 티탄 주편(3)을 이용하여, 분괴 공정을 생략하고, 또한, 티탄판(4)을 접합하지 않고 열간 압연을 행한 경우이다. 열간 압연 후에 산세를 행한 티탄 판재에는 조대한 표면흠이 관찰되었다.
No.3의 비교예는, 용접에 의해 티탄 주편(3)에 접합한 티탄판(4)의 두께는 3mm로 충분히 두껍지만, 결정 입경이 3mm로 매우 조대하다. 그 때문에, 티탄 판재에는 표면흠이 다수 관찰되었다.
No.4의 비교예는, 용접에 의해 티탄 주편(3)에 접합한 티탄판(4)의 결정 입경이 50μm로 충분히 세립이었지만, 티탄판(4)의 두께가 0.5mm로 매우 얇다. 그 때문에, 열간 압연 중에 일부가 박리되어 있어, 그 부분에서 티탄 판재에는 조대한 표면흠이 관찰되었다.
No.5의 본 발명예는, 티탄 주편(3)의 표면을 절삭 후에 티탄판(4, 5)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4, 5)의 두께가 1.5mm로 충분히 두껍고, 또, 티탄판(4, 5)의 결정 입경도 35μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, No.1의 종래예와 동등 레벨이었다. 또, 티탄 주편(3)의 측면(3b)에도 티탄판(5)을 용접하고 있기 때문에, 티탄 판재의 단부 근방의 표면 성상도 양호했다.
No.6의 본 발명예는, 티탄 주편(3)의 표면(3a)을 절삭한 후에 티탄판(4)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4)의 두께가 2mm로 충분히 두껍고, 또, 티탄판(4)의 결정 입경도 100μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
No.7의 본 발명예는, 티탄 주편(3)의 표면(3a)을 절삭한 후에 플라즈마 용접에 의해 티탄판(4)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4)의 두께가 4mm로 충분히 두껍고, 또, 티탄판(4)의 결정 입경도 500μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
No.8의 본 발명예는, 티탄 주편(3)의 표면(3a)을 절삭한 후에 플라즈마 용접에 의해 티탄판(4)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4)의 두께가 4.5mm로 충분히 두껍고, 또, 티탄판(4)의 결정 입경도 50μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
No.9~14의 본 발명예는, 모두, 티탄 주편(3)의 표면(3a)을 절삭하지 않고, 티탄판(4, 5)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4, 5)의 두께가 4.5~6.1mm로 충분히 두껍고, 판의 결정 입경도 30~700μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
No.15의 비교예는, 용접에 의해 티탄 주편(3)에 접합한 티탄판(4)의 결정 입경이 50μm로 충분히 세립이었지만, 티탄판(4)의 두께가 25mm로 매우 두껍다. 그 때문에, 용접부의 입열이 커져 버려, 용접부 상당 위치 근방에서 흠 빈도가 많아지고 있다.
또한, No.16의 본 발명예는, 티탄판(4)을 대기압 하에서 티탄 주편(3)에 용접한 경우이다. 열간 압연 시에 티탄 주편(3)과 티탄판(4)이 충분히 밀착되지 않았지만, 열간 압연 후에 예를 들면 산세에 의해 티탄재에 있어서의 티탄판(4)에 상당하는 부분을 용삭함으로써, 티탄 판재의 표면흠은, No.1의 종래예보다는 뒤떨어지지만, No.2에 나타내는 판을 접합하지 않고 행한 비교예에 비하면 흠은 경미했다.
실시예 2
표 3의 No.17~19에 나타내는 본 발명예에서는, 티탄 주편(3)(슬래브)의 용제는, 플라즈마 아크 용해법으로 행하고, 각형 주형을 이용하여 주조했다. 그 후, 티탄 주편(3)의 주물 표면의 절삭 손질이 있는 경우에는 절삭에 의해 표층의 손질을 행한 후에, 절삭 손질이 없는 경우에는 절삭에 의한 표층의 손질을 행하지 않고, 티탄판(4)의 부착을 위한 용접을 행했다.
표 3의 No.17~19의 본 발명예에 있어서, 티탄 주편(3)과 티탄판(4)의 접합 용접은, 모두, 전자 빔에 의해 행했다. 그 때, 규정 출력 30kW의 전자 빔 용접 장치를 이용했다.
또, 티탄판(4)의 임의의 장소 10개소에 있어서, 단면 조직 관찰에 의해 결정 입경을 측정하고, 그 평균값을 티탄판(4)의 결정 입경으로서 구했다. 표 3에 측정 결과를 나타낸다.
이와 같이 하여 제조한 열간 압연용 티탄 소재(1)(두께 250mm×폭 1000mm×전체 길이 5000mm)에, 철강 재료의 열간 압연 설비를 이용하여 열간 압연을 행하여, 두께 4mm의 띠형상 코일의 티탄 판재를 제조했다.
이러한 티탄 판재의 표면흠을 실시예 1과 동일하게 평가했다.
Figure 112018015097016-pct00003
No.17의 본 발명예는, 티탄 주편(3)의 표면을 절삭 후에 티탄판(4)을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 티탄판(4)의 두께가 6.5mm로 충분히 두껍고, 또, 티탄판(4)의 결정 입경도 80μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, 분괴 공정을 거치는 경우와 동등 레벨이었다.
No.18, 19의 본 발명예는, 티탄 슬래브의 표면을 절삭하지 않고, 티탄판을 접합하고 있다. 용접에 의해 접합한 판의 두께가 1mm 이상으로 충분히 두껍고, 또, 판의 결정 입경도 1mm 미만으로 충분히 세립이었기 때문에, 표면흠은 경미하고, 표 2에 있어서의 No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
실시예 3
표 4의 No.20~31의 본 발명예에서는, 티탄 주편(3)의 용제는, 전자 빔 용해법에 의해 각형 주형을 이용하여 주조했다.
No.20은 Ti-0.06Pd로 이루어지는 티탄 합금이며, No.21은 Ti-0.5Ni-0.05Ru로 이루어지는 티탄 합금이며, No.22는 Ti-1.0Fe-0.35O로 이루어지는 티탄 합금이며, No.23은 Ti-1.5Fe-0.5O로 이루어지는 티탄 합금이며, No.24는 Ti-3Al-2.5V로 이루어지는 티탄 합금이며, No.25는 Ti-5Al-1Fe로 이루어지는 티탄 합금이며, No.26은 Ti-6Al-4V로 이루어지는 티탄 합금이며, No.27은 Ti-0.25Fe-0.45Si로 이루어지는 티탄 합금이며, No.28은 Ti-0.9Al-0.45Si-0.25Nb로 이루어지는 티탄 합금이며, No.29는 Ti-4.5Al-2Fe-2Mo-3V로 이루어지는 티탄 합금이며, No.30은 Ti-20V-4Al-1Sn으로 이루어지는 티탄 합금이며, 또한, No.31은 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn으로 이루어지는 티탄 합금이다.
또, No.32~34의 본 발명예에서는, 티탄 슬래브의 용제는, 플라즈마 아크 용해법에 의해 각형 주형을 이용하여 주조했다.
No.32는 Ti-1.0Cu로 이루어지는 티탄 합금이며, No.33은 Ti-1.0Cu-0.5Nb로 이루어지는 티탄 합금이며, 또한, No.34는 Ti-1.0Cu-1.0Sn-0.45Si-0.2Nb로 이루어지는 티탄 합금이다.
티탄 주편(3)을 주조 후, 티탄 주편(3)의 주물 표면의 절삭 손질이 있는 경우에는 절삭에 의해 표층의 손질을 행하고, 절삭 손질이 없는 경우에는 절삭에 의한 표층의 손질을 행하지 않고, 티탄판(4)의 부착을 위한 용접을 행했다.
또, 티탄판(4)의 임의의 장소 10개소에 있어서, 단면 조직 관찰에 의해 결정 입경을 측정하고, 그 평균값을 티탄판(4)의 결정 입경으로서 구했다. 표 3에 측정 결과를 나타낸다.
이와 같이 하여 제조한 열간 압연용 티탄 소재(1)(두께 250mm×폭 1000mm×전체 길이 5000mm)에, 철강 재료의 열간 압연 설비를 이용하여 열간 압연을 행하여, 두께 4mm의 띠형상 코일의 티탄 판재를 제조했다.
이러한 티탄 판재의 표면흠을 실시예 1과 동일하게 평가했다.
Figure 112018015097016-pct00004
No.20~34에 나타내는 본 발명예는, 용접에 의해 티탄 주편(3)에 접합한 티탄판(4)의 두께가 2.1~6.5μm로 충분히 두껍고, 또, 판의 결정 입경도 5~300μm로 충분히 세립이었기 때문에, 티탄 판재의 표면흠은 경미하고, 표 2에 있어서의 No.1의 종래예와 동등 레벨이었다.
1, 2 본 발명에 관련된 열간 압연용 티탄 소재
3 티탄 주편(티탄 슬래브) 3a 압연면
3b 측면 4, 5 티탄판
6 용접부(용접선)

Claims (9)

  1. 응고 조직을 가지는 티탄 주편과,
    상기 티탄 주편의 압연면에 해당하는 면에 용접한 티탄판을 구비하고,
    상기 티탄 주편 및 상기 티탄판이 동종의 화학 조성을 가지는, 열간 압연용 티탄 소재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 티탄판의 두께가 1mm 이상 20mm 이하인, 열간 압연용 티탄 소재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 티탄판의 결정 입경이 1mm 미만인, 열간 압연용 티탄 소재.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 티탄판의 결정 입경이 1mm 미만인, 열간 압연용 티탄 소재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 티탄 주편은, 전자빔 용해 또는 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 슬래브인, 열간 압연용 티탄 소재.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 티탄 주편은, 전자빔 용해 또는 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 슬래브인, 열간 압연용 티탄 소재.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 티탄 주편은, 전자빔 용해 또는 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 슬래브인, 열간 압연용 티탄 소재.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 티탄 주편은, 전자빔 용해 또는 플라즈마 아크 용해에 의해 제조된 티탄 슬래브인, 열간 압연용 티탄 소재.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접은, 전자빔 용접, 플라즈마 아크 용접 또는 TIG 용접인, 열간 압연용 티탄 소재.
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